特殊鋼

世界各國對特殊鋼尚無統一的概念和定義，要在特殊鋼和普通鋼間劃分明確的界線更難。一般認為特殊鋼是具有特殊成分、特殊生產工藝、具有特殊的組織和性能，能夠滿足特殊需要的鋼類，即除了普通鋼以外所有鋼類都屬於特殊鋼。與普通鋼比較，特殊鋼具有更好的強韌性、物理性能、化學性能、生物相容性和工藝性能。

日本的特殊鋼概念包括合金鋼、中高碳鋼和抗拉強度大於590MPa高強度鋼，德、法與日本相似。美國的特殊鋼包括不鏽鋼加合金鋼（含碳工鋼、中空鋼和高強度低合金鋼），但合金鋼中的碳錳系除外。英國特殊鋼的含義就是合金鋼。前蘇聯對特殊鋼的範疇沒有明確的劃分。中國特殊鋼包括優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素和合金工具鋼、彈簧鋼、軸承鋼、高速工具鋼、耐熱鋼和不鏽鋼、高溫合金和精密合金。

碳鋼也叫碳素鋼，是含碳量Wc小於2%的鐵碳合金。碳鋼除含碳外一般還含有少量的硅、錳、硫、磷。

按用途可以把碳鋼分為碳素結構鋼、碳素工具鋼和易切削結構鋼三類。碳素結構鋼又可分為建築結構鋼和機器製造結構鋼兩種。

按含碳量可以把碳鋼分為低碳鋼（Wc≤0.25%），中碳鋼（Wc 0.25%一0.6%）和高碳鋼（Wc>0.6%）按磷、硫含量可以把碳素鋼分為普通碳素鋼（含磷、硫較高）、優質碳素鋼（含磷、硫較低）和高級優質鋼（含磷、硫更低）。

一般碳鋼中含碳量越高則硬度越高，強度也越高，但塑性降低。

（1）碳素結構鋼

這類鋼主要保證力學性能，故其牌號體現其力學性能，用Q+數字錶示，其中“Q”為屈服點“屈”字的漢語拼音字首，數字錶示屈服點數值，例如Q275表示屈服點為275MPa。若牌號後面標註字母A、B、C、D，則表示鋼材質量等級不同，含S、P的量依次降低，鋼材質量依次提高。若在牌號後面標註字母“F”則為沸騰鋼，標註“b”為半鎮靜鋼，不標註“F，’或“b”者為鎮靜鋼。例如Q235-A·F表示屈服點為235MPa的A級沸騰鋼，Q235-c表示屈服點為235MPa的c級鎮靜鋼。

碳素結構鋼一般情況下都不經熱處理，而在供應狀態下直接使用。通常Q195、Q215、Q235鋼碳的質量分數低，焊接性能好，塑性、韌性好，有一定強度，常軋製成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用於橋樑、建築等結構和製造普通鉚釘、螺釘、螺母等零件。Q255和Q275鋼碳的質量分數稍高，強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接，通常軋製成型鋼、條鋼和鋼板作結構件以及製造簡單機械的連桿、齒輪、聯軸節、銷等零件。

（2）碳素工具鋼

碳素工具鋼是基本上不含合金元素的高碳鋼，含碳量在0.65%～1.35%範圍內，其生產成本低，原料來源易取得，切削加工性良好，處理后可以得到高硬度和高耐磨性，所以是被廣泛採用的鋼種，用來製造各種刃具、模具、量具。

但這類鋼的紅硬性差，即當工作溫度大於250℃時，鋼的硬度和耐磨性就會急劇下降而失去工作能力。另外，碳素工具鋼如製成較大的零件則不易淬硬，而且容易產生變形和裂紋。

這類鋼必須同時保證化學成分和力學性能。其牌號是採用兩位數字錶示鋼中平均碳的質量分數的萬分數。例如45鋼表示鋼中平均碳的質量分數為0.45%；08鋼表示鋼中平均碳的質量分數為0.08%。

優質碳素結構鋼主要用於製造機器零件。一般都要經過熱處理以提高力學性能。根據碳的質量分數不同，有不同的用途。08、08F、10、10F鋼，塑性、韌性高，具有優良的冷成形性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用於製作儀錶外殼、汽車和拖拉機上的冷衝壓件，如汽車身、拖拉機駕駛室等；15、20、25鋼用於製作尺寸較小、負荷較輕、表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件，如活塞銷、樣板等；30、35、40、45、50鋼經熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合力學性能，即具有較高的強度和較高的塑性、韌性，用於製作軸類零件，例如40、45鋼常用於製造汽車、拖拉機的曲軸、連桿、一般機床主軸、機床齒輪和其他受力不大的軸類零件；55、60、65鋼熱處理（淬火+中溫回火）后具有高的彈性極限，常用於製作負荷不大、尺寸較小（截面尺寸小於12～15mm）的彈簧，如調壓和調速彈簧、柱塞彈簧、冷卷彈簧等。

易切削結構鋼是在鋼中加入一些使鋼變脆的元素，使鋼切削時切屑易脆斷成碎屑，從而有利於提高切削速度和延長刀具壽命。使鋼變脆的元素主要是硫，在普通低合金易切削結構鋼中使用了鉛、碲、鉍等元素。

這種鋼的含硫量Ws在0.08%一0.30%範圍內，含錳量WMn在0.60%-1.55%範圍內。鋼中的硫和錳以硫化錳形態存在，硫化錳很脆並有潤滑效能，從而使切屑容易碎斷，並有利於提高加工表面的質量。

（1）高速工具鋼

高速工具鋼是高碳高合金工具鋼，鋼中含碳量Wc為0.7%-1.4%，鋼中含有能形成高硬度碳化物的合金元素，如鎢、鉬、鉻、釩。

高速工具鋼具有高的紅硬性，在高速切削的條件下，溫度高達500-600℃硬度也不降低，從而保證良好的切削性能。

（2）彈簧鋼

彈簧在衝擊、振動或長期交變應力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等。

碳素彈簧鋼即含碳量Wc在0.6%～0.9%範圍內的優質碳素結構鋼（包括正常和較高含錳量的）。合金彈簧鋼主要是硅錳系鋼種，它們的含碳量稍低，主要靠增加硅含量WSi（1.3%～2.8%）提高性能；另外還有鉻、鎢、釩的合金彈簧鋼。結合我國資源，並根據汽車、拖拉機設計新技術的要求，研製出在硅錳鋼基礎上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質量。

（3）軸承鋼

軸承鋼是用來製造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼。軸承在工作時承受著極大的壓力和摩擦力，所以要求軸承鋼有高而均勻的硬度和耐磨性，以及高的彈性極限。對軸承鋼的化學成分的均勻性、非金屬夾雜物的含量和分佈、碳化物的分佈等要求都十分嚴格。

軸承鋼又稱高碳鉻鋼，含碳Wc為1%左右，含鉻量Wcr為0.5%-1.65%。軸承鋼又分為高碳鉻軸承鋼、無鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、中高溫軸承鋼及防磁軸承鋼六大類。

（3）電工硅鋼

電器工業用硅鋼主要用來製造電器工業用硅鋼片。硅鋼片是電機和變壓器製造中用量很大的鋼材。

（1）鋼軌鋼

鋼軌主要承受機車車輛的壓力及衝擊載荷，因此，要求有足夠的強度和硬度及一定的韌性。通常採用的鋼軌鋼是平爐和轉爐冶鍊的碳素鎮靜鋼，這種鋼含碳Wc0.6%-0.8%，屬於中碳鋼和高碳鋼，但鋼中含錳量WMn較高，在0.6%一1.1%的範圍內。

已廣泛採用普通低合金鋼鋼軌，如高硅軌、中錳軌、含銅軌、含鈦軌等。普通低合金鋼軌比碳素鋼軌耐磨、耐腐蝕，使用壽命有很大提高。

（2）造船用鋼

造船用鋼是指用於製造海船和大型內河船體結構的鋼。由於船體結構一般採用焊接方法製造，所以要求造船鋼有較好的焊接性能。此外，還要求有一定的強度、韌性和一定的耐低溫及腐蝕性能。過去主要採用低碳鋼作為造船用鋼。已大量採用普通低合金鋼，已有的鋼種如12錳船、16錳船、15錳釩船等鋼種。這些鋼種有強度高、韌性好、容易加工和焊接、耐海水腐蝕等綜合特性，可成功地用來製造萬噸遠洋巨輪。

（3）橋樑鋼

鐵路或公路橋樑承受車輛的衝擊載荷，橋樑鋼要求有一定的強度、韌性和良好的抗疲勞性能，並且對鋼材的表面質量要求較高。橋樑鋼常採用鹼性平爐鎮靜鋼，成功地採用了普通低合金鋼如16錳、15錳釩氮等。

（1）鍋爐鋼

鍋爐鋼主要指用來製造過熱器、主蒸氣管和鍋爐火室受熱面用的材料。對鍋爐鋼的性能要求主要是有良好的焊接性能、一定的高溫強度和耐鹼性腐蝕、耐氧化等。常用的鍋爐鋼有平爐冶鍊的低碳鎮靜鋼或電爐冶鍊的低碳鋼，含碳量Wc在0.16%～0.26%範圍內。製造高壓鍋爐時則應用珠光體耐熱鋼或奧氏體耐熱鋼。也採用普通低合金鋼建造鍋爐，如12錳、15錳釩、18錳鉬鈮等。

（2）焊條用鋼

這類鋼是專門供製造電弧焊和氣焊焊條鋼絲用。鋼的成分隨所焊材質不同而異。根據需要，大致分碳素鋼、合金結構鋼和不鏽鋼三類。這些鋼的硫、磷含量Ws、WP不大於0.03%，比一般鋼要求嚴些。這些鋼不要求力學性能，而只作化學成分的檢驗。

（3）不鏽鋼

不銹耐酸鋼簡稱不鏽鋼，它是由不鏽鋼和耐酸鋼兩大部分組成的。簡言之，能抵抗大氣腐蝕的鋼叫不鏽鋼，而能抵抗化學介質（如酸類）腐蝕的鋼叫耐酸鋼。一般說來，含鉻量Wcr大於12%的鋼就具有了不鏽鋼的特點。

不鏽鋼按熱處理后的顯微組織又可分為五大類：即鐵素體不鏽鋼、馬氏體不鏽鋼、奧氏體不鏽鋼、奧氏體一鐵素體不鏽鋼及沉澱硬化不鏽鋼。

（4）耐熱鋼

在高溫條件下，具有抗氧化性和足夠的高溫強度以及良好的耐熱性能的鋼稱作耐熱鋼。耐熱鋼包括抗氧化鋼和熱強鋼兩類。抗氧化鋼又稱不起皮鋼。熱強鋼是指在高溫下具有良好的抗氧化性能並具有較高的高溫強度的鋼。耐熱鋼主要用於在高溫下長期使用的零件。

在鋼中除含有鐵、碳和少量不可避免的硅、錳、磷、硫元素以外，還含有一定量的合金元素，鋼中的合金元素有硅、錳、鉬、鎳、鉻、釩、鈦、鈮、硼、鉛、稀土等其中的一種或幾種，這種鋼叫合金鋼。

各國的合金鋼系統，隨各自的資源情況、生產和使用條件不同而不同，國外以往曾發展鎳、鉻鋼系統，我國則發現以硅、錳、釩、鈦、鈮、硼、稀土為主的合金鋼系統。

合金鋼在鋼的總產量中約佔百分之十幾，一般是在電爐中冶鍊的。

按用途可以把合金鋼分為8大類，它們是：合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不鏽鋼、耐熱不起皮鋼，電工用硅鋼。

（1）普通低合金鋼

普通低合金鋼是一種含有少量合金元素（多數情況下其總量W總不超過3%）的普通合金鋼。這種鋼的強度比較高，綜合性能比較好，並具有耐腐蝕、耐磨、耐低溫以及較好的切削性能、焊接性能等。

在大量節約稀缺合金元素（如鎳、鉻）條件下，通常lt普通低合金鋼可頂1.2—1.3t碳素鋼使用，其使用壽命和使用範圍更是遠遠超過碳素鋼。普通低合金鋼可以用一般冶鍊方法在平爐、轉爐中冶鍊，成本也和碳素鋼接近。

（2）工程結構用合金鋼

這是指工程和建築結構用的合金鋼，包括可焊接的高強度合金結構鋼、合金鋼筋鋼、鐵道用合金鋼、地質石油鑽探用合金鋼壓力容器用合金鋼、高錳耐磨鋼等。這類鋼用作工程和建築結構件，在合金鋼中，這類鋼合金含量總量較低，但生產、使用量較大

（3）機械結構用合金鋼

這類鋼是指適用於製造機器和機械零件的合金鋼。它是在優質碳素鋼的基礎上，適當地加入一種或數種合金元素，用來提高鋼的強度、韌性和淬透性。這類鋼通常要經過熱處理（如調質處理、表面硬化處理）后使用。主要包括常用的合金結構鋼和合金彈簧鋼兩大類，其中包括調質處理的合金鋼、表面硬化處理的合金鋼（滲碳鋼、氮化鋼、表面高頻淬火鋼等）、冷塑性成型用合金鋼（冷頂鍛用鋼、冷擠壓用鋼等）。按化學成分基本組成系列可分為Mn系鋼、SiMn系鋼、Cr系鋼、CrMo系鋼、CrNiMo系鋼、Nj系鋼、B系鋼等。

（4）高溫合金

高溫合金是指在高溫下具有足夠的持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度、高溫韌性及足夠的化學穩定性的一種熱強材料，用於1000℃左右高溫條件下工作的熱動力部件。

按其基本化學成分的不同，又可分為鎳基高溫合金、鐵鎳基高溫合金及鈷基高溫合金。

（5）精密合金

精密合金是指具有特殊物理性能的合金。它是電氣工業、電子工業、精密儀錶工業和自動控制系統中不可缺少的材料

精密合金按其不同的物理性能又分為七類，即：軟磁合金、變形永磁合金、彈性合金、膨脹合金、熱雙金屬、電阻合金、熱電偶合金。絕大多數精密合金是以黑色金屬為基的，只有少數是以有色金屬為基的。

註：Wc、Ws、Wmn、Wp分別表示C、S、Mn、P的質量分數。

世界上有近2000個特殊鋼牌號、約50000個品種規格。特殊鋼除了種類繁多之外，在規格上也表現出與普通鋼不同的特點。除了板、管、絲、帶、棒和異型材之外，還有複合材、表面合金化材、表面處理材、精鍛材、精密鑄件、粉末冶金製品等。

鋼的牌號簡稱鋼號，是對每一種具體鋼產品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。我國的鋼號表示方法，根據國家標準《鋼鐵產品牌號表示方法》（GB221-79）中規定，採用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。即：①鋼號中化學元素採用國際化學符號表示，例如Si,Mn,Cr……等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。②產品名稱、用途、冶鍊和澆注方法等，一般採用漢語拼音的縮寫字母表示。③鋼中主要化學元素含量（%）採用阿拉伯數字錶示。

與普通鋼相比，特殊鋼具有更高的強度和韌性、物理性能、化學性能、生物相容性和工藝性能。

與普通鋼相比，特殊鋼具有高純度、高均勻性、超細組織和高精度等特點：

（1）高純度。有針對性降低鋼中氣體、夾雜物（含低熔點金屬夾雜物）的含量。鋼的純度提高到一定限度，不但可以大幅度提高鋼的原有性能，還可以賦予鋼以新的性能。例如軸承鋼中的氧含量從30×10降低到5×10，則軸承壽命提高30倍。通用奧氏體不鏽鋼中的磷降低到3×10則對應力腐蝕免疫。20世紀末大生產所能達到的鋼的純度水平（10）為：氫≤1，氧≤5、碳≤10、硫≤10、氮≤15、磷≤25。

（2）高均勻性。鋼的成分偏析導致鋼組織、性能的不均勻，這是鋼製零部件提前失效以及鋼性能潛力難以充分發揮的重要原因之一。現代生產工藝應使鋼的均勻性達到：轎車齒輪鋼淬透性帶波動為±3HRC；對合金元素精確控制水平為碳、鎳、鉬含量≤±0.01%，錳和鉻含量≤±0.02%；軸承鋼淬火后的晶粒度為球形且尺寸波動0.8±0.2μm；抗層狀撕裂鋼（z向鋼）的縱向、橫向和厚度方向的力學性能，特別是塑、韌性要求大體上相當。

（3）超細組織。超細組織強化是惟一增加鋼強度而不降低韌性或使韌性略有增加的強化機制。例如高強度不鏽鋼AFC77的晶粒從60μm細化到2.3μm，則斷裂韌性KIC從100增加到220MPa·m。核反應堆壓力容器鋼板為粗晶時，其輻照脆化溫度範圍為150～250℃而細晶鋼降到50～70℃。軸承鋼中的碳化物尺寸細到≤0.5μm，則軸承壽命大幅度提高。

（4）高精度。特殊鋼材要有良好的表面質量和窄的尺寸公差。熱軋鋼棒的精度已達±0.1mm、熱軋板卷的厚度公差達±0.015～0.05mm，而冷軋板卷的厚度公差已達±0.003mm。